动态荷载作用下混凝土受拉性质的研究.pdf

2 0 1 2年 第 2期 (总 第 2 6 8期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o ta l No 2 6 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RE SE ARCH d 0 i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 2 0 0 1 动态荷载作用下混凝土受拉性质的研究 窦远明，刘会东，孙吉书 ( 河北工业大学 土木工程学院，天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要： 混凝土静载强度是结构设计的理论基础，在涉及抗震部分的验算时只是将静载强度乘以一个系数作为调整来反 映地震作用对结构的影响。 实际上在地震荷载的作用下， 结构的地震响应非常复杂 ， 不同的建筑物或者建筑物不同的部位， 其应变率的变化各不相同， 单纯用一个系数调整显然过于简单。 通过对 C 5 0 混凝土试件进行 1 0 - 、 1 0 - 4 、 1 0 - 3 、 1 0 - 2 I s 四个应变 率下的轴拉试验来研究高强度混凝土在动载下极限强度、 弹性模量、 泊松比、 表面微裂缝开展与应变率的关系。 关键词： 混凝土； 应变率；拉伸强度；变形特性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 0 1 0 3 St udy on t he t e ns i l e pr o per t i e s of t he co nc r e t e und er dy na m i c l oad DOU Yu a n - mi n g， L I UHu i - d o n g， SUNJ I - s hu ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， He b e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Co n c r e t e s mt i c l o a d s tre n g t h i s t h e the o r e t i c a l b a s i s o f s t r u c t u r e d e s i g nTo r e fle c t the i mp a c t o ft h e e a r t h q u a k e e ffe c t s o n s t ruc t u r e s， i t wa s mu l t ipl i e d by a f a c t o r in t h e s e i s mi c c a l c u l a t i o nI n f a c t ， the s e i s mi c r e s p o n s e o f s t r u c t u r e s u n d e r e a r t h q u a ke i s c o mp l ic a t e dF o r d i ffe r e n t b u i l d i n g s o r d i ffe r e nt p a r t s o fthe bu i l d ing， the s t r a i n r a t e c h a n g e s d i ffe r e n t l y， o n l y o n e f a c t o r C an n o t r e fle c t the a 1 1 Axi a l t e ns i o n t e s t u n d e r the s t r a i n r a t eo f1 0 、 1 0 、 1 0 、 1 0 - 2 s o fC5 0 c o nc r e t e s pe c i me nswa s c o n d u c t e dt o s t u d ythe r e l a t i o n s h i pb e t we e nu l t i ma t e s tre ng t h， e l a s t i cmo d ul u s ， Po i s s o n s r a t i o， s u r f a c e mi c r o c r a c k s a n d s t r a i n r a t e Kwwor d s： c o n c r e t e ； s t r a i n r a t e； t e n s i l e s t r e n g t h； d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s O 引言 一 般所说的混凝土强度是在 G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土 。 力学性能试验方法标准 1 中规定的拟静态环境下混凝土破坏 时的强度， 试验状态下混凝土的应变率在 1 0 - 6 1 0 - 5 s 之间， 这样 的拟静态试验为结构设计提供了理论依据。 然而， 混凝土结构在实 际工作中会遇到各种不同类型的荷载， 其应变速率也会大不相 同， 如地震荷载作用下结构响应的应变速率约为 1 0 - 4 1 0 一 s ， 冲 击荷载下应变速率约为 1 0 1 0 - s ， 在这些不同性质的动态荷载 作用下 ， 混凝土表现出不同的性质， 此时仍用混凝土静态力学 参数进行计算会产生很大的误差。 自 1 9 1 7年 A b r a ms 对混凝土进行动载压缩试验时发现混 凝土抗压强度存在速率敏感性以后， 外国一些学者开始对混凝土 材料进行各种力学性质的动载试验研究。 到 1 9 3 8年 Gl a n v i l l e ts 完成的大量快速压缩试验表明： 随着应变率的增加， 混凝土抗 压强度增大。 此后， 国内外一些学者对混凝土速率敏感性进行了 大量试验研究， 取得了大量成果。 清华大学抗震抗爆工程研究室陈肇元、 阚永魁鲫 等首次进 行了混凝土动荷载下的抗压及抗拉性能试验。 由于试验技术难 度较大， 对混凝土动态拉伸的研究较少 ， 压缩试验较多。 尚仁杰 阁 等人进行了大量拉伸试验研究 ， 得出一些成果。 此外 ， 混凝土 本身的离散性使得试验结果不稳定， 加载设备的不同使得试验 收稿日期： 2 0 1 1 - 0 8 _ o 4 基金项目：国家 自 然科学基金资助项目( 5 0 8 7 8 0 7 3 ) 结构的离散性加大， 因此不同学者得出的结论相差较大， 有的甚 至出现矛盾， 还不足以形成统一公认的规律并应用到实践当中， 并且对材料率敏感性的机理也未能理清， 因此对混凝土动态本 构关系需要做进一步研究。 本次试验对混凝土单轴动态直接拉伸进行研究， 针对 目前 广泛使用的中高强度混凝土， 制备了一批离散性小， 强度为C 5 0 的拉伸试件。 探索混凝土动态拉伸强度 、分析应变率与弹性模 量、 泊松比、 表面裂缝开展处应变的关系。 1 试验设备与试验方法 1 1 试验 方式 混凝土的拉伸试验有轴拉、 劈拉和弯拉 3 种方式 ， 黄承奎 等阿 对这 3 种方式进行对 比后发现轴拉法适合动态拉伸试验， 因为试验中应力、 变形关系明确， 易于测量， 而且其加载速率关 系也明确， 易于控制 ， 但轴拉法的实现有一定困难 ， 对设备要求 很高。 试验加载制度可为 2 种， 即以一定的变形速率或应力加载 速率进行试验， 本试验通过事先标定好的运行时间、 行程来对 试件进行定变形率的轴拉加载试验。 1 2加载设备 本试验在河北联合大学土木工程结构实验室进行， 采用美 国MT S -8 1 0 NE W 液压伺l l I I 载系统。 数据采集设备为 l o t e c h 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公司高速便携式测试系统， 数据采集频率可达 1 MH z ， 保证了 试验数据的准确可靠。 为了增加试验机的刚度， 在加载器上增加 钢架， 加载装置见图 l 。 1 3试件 制备 为了保证试件中间段受力均匀并控制试件在受拉区断 裂 ， 试验所用试件采用哑铃型， 中间部分长 1 0 0 m m， 截面为 7 0 minx 7 01T i m正方形， 到两端弧形过渡到边长为 1 0 0 I n lT l 的正 方形， 试件总高度为 2 0 0 mlT l 。 伴随试件为 1 5 0 ml T l 立方体试块， 用来测量其抗压强度。 考虑混凝土离散型， 每个强度等级试件 各打 2 0个， 以便剔除不理想的试件。 水泥采用“ 奎山” P 0 4 2 5 级 水泥， 细骨料为 I I 区中砂， 粗骨料为连续粒级的碎石， 最大粒径 2 O n l l n ， 用 自来水拌合。 混凝土配合比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 k g m 试块用钢模成型， 垂直浇筑， 经人工振捣后在振动台上成 型 ， 2 4 h后脱模放人标准养护室( ( 2 0 3 )， 相对湿度 9 O ) 养护 2 8 d ， 之后放置在自然条件下养护。 对伴随试件进行 2 8 d 强 度检测 ， 数据见表 2 ， 由表中数据可知所打试件满足强度要求。 试验时试件的龄期为 8 0 d 。 表 2 伴随试块 2 8 d抗压强度 k N 1 4试验 步骤 ( 11 ) 采用中心受拉方式试验。 将试件两端打磨切平， 以初步 消除偏心受力对试验的影响。 ( 2 ) 将试件两个侧面打磨 ， 在中心处交叉粘贴应变片， 用来 测量纵向、 横向应变。 并安装位移传感器( L v D T) ， 测量裂缝出 现后的位移。 ( 3 ) 将试件两端与特制的加载钢板用结构胶粘贴在一起： 加载钢板与加载设备经球铰连接在一起， 球铰可在一定程度上 消除两端拉力之间的微量不对中。 ( 4 ) 将试件固定到试验机上， 调试数据采集仪器， 进行试验。 图 1 加载装置及辅助钢架图 2 试验 结果分析 2 1 应 变速率与混凝土强度之 间的关 系 本试验采用等变形速率加载方式。 为了达到预定的混凝土 应变速率， 事先对设备进行了标定， 确定的时间 运程分别为4 7 、 2 0 、 2 、 O 2 s 5 mi l l ， 对应的应变速率分别为 1 O 、 1 0 、 1 0 - 3 、 1 0 - 2 s 。 取 1 0 - 5 s 为拟静态应变率。 由于试件浇筑方式的局限性， 导致混 2 凝土材料本身沿试件长度方向不可避免的会出现不均匀。 从而 影响受力状态， 加大数据的离散陛。 试件在受拉区粗骨料与水泥 砂浆结合部位的薄弱面处破坏 ， 材料的不均匀性使试件破坏位 置难以控制。 由于混凝土试件本身的离散型， 加上试验过程中很 难完全消除偏心的影响， 试验数据有一定的离散型， 在剔除了 波动较大的试验数据后 ， 试验所得抗拉强度汇总于表 3 。 表 3 拉伸试验数据 从表中数据可以看到， 随着应变速率的提高 ， 混凝土的极 限抗拉强度也随之提高， 体现出了混凝土的速率敏感性。 以速率 l 0 时的强度为静载强度， 应变速率每提高一个数量级， C 5 0 混 凝土的动态抗拉强度分别提高了 1 2 3 、 4 2 、 4 3 ， 与尚仁杰 5 1 应变率每提高一个数量级强度提高 1 7 8 的结论有较大出入； 与肖诗云等人川 应变率每提高一个数量级强度提高 5 7 的结 论较为吻合。 C 5 0混凝土强度与应变率关系见图2 。 应变 率 s 图 2 混凝土强度与应变率关系图 引入混凝士动态拉伸强度增长因数 DI F ( d y n a m i c i n c r e a s e f a c t o r ， 为动态强度 与静态强度 。 的比值) 这一概念， 并建立 DI F与应变速率之间的关系： D I F - f , 1 0 + a l o g (。 膳 ) ( 1 ) 式中： o 增长系数。 C 5 0混凝土动态抗拉强度与应变速率之间的关系为： D I F = I 卜 0 0 8 1 o g ( t 店t ) ( 2 ) 拟合优度 R Z = 0 9 9 9 4 。 式中： 反应变率； 静态应变率， 下同。 2 2 应变速率与混凝土变形特性的关系 试件在受拉过程中， 受拉区混凝土呈伸长趋势， 体现在纵 向应变片上的拉应变和 L V DT所测的纵向变形 ； 同时受拉区混 凝土的横向呈压缩趋势， 体现在横向应变片上的压应变。 两个方 向应变关系之比反映混凝土材料的泊松比； 试验所得应力一 应变 曲线也全面反映了材料的变形性能， 如上升段弹性模量、 应力 峰值处应变等。 之前有不少学者对此进行过研究， 但结论尚不统 一 且大都侧重于低强度混凝土。 2 2 1 泊松比 在试验过程中能明显观察到横纵两个方向应变片的变化 规律。 随着应力的增长， 混凝土经历弹性变形、 塑性变形、 表 面 开裂、 破坏的过程。 当试件表面出现主裂缝直至破坏， 试件出现 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 定程度的变形恢复， 应变出现下降； 与裂缝相交的应变片应 变剧增而拉断。 取峰值处的纵横应变之 比作为泊松比。 数据分 析发现 ， 随着应变率的提高， 泊松比下降。 C 5 0混凝土泊松比与 应变率关系见图 3 。 应 变率 s 图 3 泊松比与应变率关 系图 对 C 5 0 ， 拟合方程为： V t v 1 0 0 1 4 1 3 1 o g ( A 店 ) ( 3 ) 拟合优度 R 9 9 7 5 。 式中： V t 动态泊松比； 静态泊松比。 2 2 2 弹性模量 一 般来讲， 昆 凝土拉应力达到拉伸强度的4 0 6 0 前可认 为混凝土处于弹性阶段， 取应力 = 0 时的割线模量为弹性模 量。 C 5 0混凝土弹性模量与应变率关系见图4 。 应 变率 s 图 4 弹性模量 与应变率关系图 C 5 0按( 1 ) 式的形式进行拟合得： E， E 1 0 + 0 0 6 8 1 o g ( k ) ( 4 ) 拟合优度RZ =- 0 9 9 6 。 式中： E动态弹性模量； 臣 拟静态弹性模量。 由拟合结果知混凝土的弹性模量应变率的提高而提高。 2 2 3 应力一 应变曲线 应力一 应变曲线能全面反映混凝土在受力过程中的变形特 性， 人们发现通过增加试验机刚度等措施可以得到混凝土受拉 的下降段曲线， 加深了对混凝土受拉的认识。 但对于本试验 ， 混 凝土强度高导致试件脆性加大， 试件本身刚度很大对试验设备 的要求很高， 较高的应变率导致试件瞬间被拉断 ， 应力在峰值 后急剧下降， 所采集的数据不够准确等等这些原因导致没有形 成完整的下降段曲线 ， 上升段曲线较准确 ， C 5 0 混凝土上升段 如图 5 。 由图5可知随应变率的提高， 昆 凝土的极限强度也随着提 高， 并且每条曲线上各出现一个转折点 ， 转折点对应的应变即 为混凝土表面出现微裂缝并开展时的应变， 本试验称为 其值 随应变率的提高而提高， 应变率每提高一级 分别提高 1 8 、 4 7 和4 5 ， 其提高幅度与强度增长幅度具有相似性。 值的大 小对建筑物的耐久性及安全性设计都很重要 ， 由图 5可知微裂 缝开展后强度虽然还有所提高 ， 但提高幅度很小并且变形幅度 加大。 对裂缝控制严格的构筑物如核电站安全壳等应着力控制 应变在 以下， 以防裂缝开展酿成事故。 3结 论 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O O 1 2 0 1 4 0 1 6 0 应变 1 0 图 5 应力一 应变 曲线 ( 1 ) 目前常用的混凝土本构关系为单轴压拉应力一 应变曲 线， 对动载本构关系的研究缺少相关数据和资料， 针对目前工 程广泛使用的中高强度混凝土现状， 本试验制配了C 5 0强度混 凝土受拉试件进行动态轴拉试验。混凝土试件采用竖向支模 、 浇筑和振捣 ， 较之横向浇筑的试件有受力均匀、 试件破坏形态 稳定的优点。 ( 2 ) 本试验数据说明了混凝土的速率敏感性， 以速率 l 0 s 时的强度为静载强度， 应变速率每提高一个数量级， C 5 0混凝土 的动态抗拉强度分别提高了 1 2 3 、 4 2 、 4 3 。 ( 3 ) 通过试验分析 ， 混凝土的变形特性随应变率的变化而 出现变化 ， 混凝土的弹性模量应变率的提高而提高， 而随着应 变率的提高， 泊松比下降。 ( 4 ) 混凝土表面裂缝的开展与应变率有关， 微裂缝开展时 应变随应变率的提高而提高， 应变率每提高一级分别提高 1 8 、 4 7 和4 5 ， 其增长幅度与强度的提高幅度相似。 参考文献 ： 1 】G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s E 京： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 2 A B R AMS D A E f f e c t o f r a t e o f a p p l i c a t i o n o f l o a d o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e J P r o c ， 2 0 t h A n n u 1 Me e t i n g ， AS T M， We s t C o n s h o h o c k e n ， P a ， 1 9 1 7 ( 1 7 ) ： 3 6 6 3 7 4 【 3 G L AN V I U w H A n i n v e s t i g a t i o n o f t h e s t r e s s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e s d u ri n g d r i v i n g J B u i l d i n g R e s e a r c h T e c h n i c a l ， 1 9 3 8 ： 2 0 【 4 阚永魁混凝土在快速变形下的抗拉强度 击荷载下的性能【 R _ E 京： 清华大学出版社， 1 9 8 6 ： 8 4 8 9 【 5 尚仁杰混凝土动态本构行为研究【 D 大连： 大连理工大学， 1 9 9 4 【 6 黄承奎 ， 尚仁杰， 赵国藩 混凝土动态拉伸试验方法的研究 J 】 大连理 工大学学报 ， 1 9 9 7 ， 3 7 ( s u p p l 1 ) ： 1 1 1 - 1 1 5 7 】肖诗云。 林皋， 等 应变率对混凝土抗拉特性影II J 1 大连理工大学学 报。 2 0 0 1 ， 1 4 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 作者简介： 窦远明( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事建筑材 料、 结构工程方面的教学与科研工作。 联系地址： 天津市北辰区双口镇西平道 5 3 4 0 号 河北工业大学土木 工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 联 系电话 ： 1 3 6 0 2 0 9 5 7 5 8 3 0 5 O 5 0 5 0 5 4 3 3 2 2 1 1 O E d 、 R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m